| 单词 | 自动控制理论及应用 |
| 释义 | 【自动控制理论及应用】 拼译：automatic control theory and applications 自动控制理论是一门综合性的边缘学科，它的研究对象是控制系统。20世纪60年代以来，控制理论有飞速的发展，它已从经典控制理论阶段发展至现代控制理论阶段、控制系统已从单变量常系数线性系统发展成多变量、非线性、分布参数等复杂的控制系统。随着电子计算机和微处理机技术的迅速发展，一场向控制理论提出挑战的新的技术革命即将到来，并将促使控制理论的发展进入一个新的阶段。 自动控制是社会生产力发展到一定阶段的产物。它的前驱可追溯到古代中国发明的指南车，苏颂和韩公廉发明的水运仪象台。但作为自动化技术学科的萌芽，还是在第一次产业革命中1770年瓦特(J．Watt)发明的装于蒸汽机上的离心式飞锤调速器，它对保证蒸汽机的运行发挥了巨大的作用。然而，在使用中却发现，多数调速系统都发生振荡问题，这激发了许多学者开始对自动控制理论的探索和研究。1868年物理学家马克斯威尔(J．C．Maxwell)通过建立线性常微分方程，对该系统稳定性进行了分析，解决了此问题，并提出了稳定判据。其后两位数学家劳斯(Routh)和胡尔维茨(Hurwitz)提出了可用于高阶控制系统的代数稳定判据。1892年俄国数学家李雅普诺夫(A．M．Пяпyнов)发表了巨著《论运动稳定性的一般问题》，他用严格的数学分析方法全面论述了稳定性问题，为控制理论打下了坚实的基础。这一时期控制理论讨论的主要问题是系统稳定性，所用数学工具是微分方程解析法，常称时间域方法，简称时域法。然而求解微分方程，特别是高阶微分方程计算工作量太大，当时又没有电子计算机，故不便于工程应用。20世纪30年代，美国贝尔实验室为铺设一条长距离电话线，需要配置高增益放大器，于是振荡成为一个技术难题。这种振荡和蒸汽机的飞锤调速系统的振荡不同，在高、低增益时均出现振荡，用时域法来分析很困难，于是产生了频率特性分析法。1932年乃奎斯特(H．Nyguist)提出了稳定性的频率判据，解决了这一难题。伯德(W．Bode)于1940年引入了对数坐标系，哈里斯(H．Harris)于1942年引入了传递函数的概念。这样，便构成了控制理论中的频率特性法，简称频域法。在第二次世界大战期间，由于战争对高性能伺服系统(如火炮定位系统，雷达跟踪系统等)的迫切需要，促使反馈控制系统的设计与研制有了很大的进展。1945年伯德写了《网络分析和反馈放大器设计》一书。1948年伊文思(W．R．Evans)提出了根轨迹法，同年美国著名数学家维纳(N．Wiener)出版了《控制－关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书。这些都对早期控制理论的发展作出巨大的贡献。至此，以传递函数为工具，用复数域(或频率域)方法进行系统分析和综合的所谓经典控制理论逐步形成，并在50年代进入成熟阶段。经典控制理论是一种单回路线性控制理论，主要的研究对象是单变量常系数线性系统，系统的数学模式比较单纯，基本的分析和综合方法是基于频域的和图解的方法。它能解决工程上许多“单机自动化”的需求，现在仍在许多工程和技术领域中继续发挥作用。但是经典控制理论有其局限性，如：(1)它是基于复(频)域的间接法，得不到系统输出随时间变化的精确曲线；(2)它以传递函数为基础，是从外部特性而不是从内部特性来分析系统的。对有零、极点相消的系统，用这种方法可能得出错误的结论；(3)它只适用于单变量线性定常系统，而不能有效处理多变量线性定常系统以及非线性或时变系统，越来越不适应控制工程的需求。20世纪60年代前后，航天技术的需要以及电子计算机技术的迅速发展，促进了控制理论由经典控制理论向现代控制理论的转变，其研究方法也从频域法转向状态空间法即时域法。在这个转变过程中，美国卡尔曼(R．E．Kalman)作出重大的贡献。一般认为：贝尔曼(R．Bellman)的动态规划理论、庞特里雅金(Л．C．IIонтparин)的极大值原理、卡尔曼的最优滤波理论以及能控性、能观测性概念，是控制论进入现代控制理论阶段的3大标志。此后，以状态空间模型为基础的现代控制理论得到了迅速的发展，提出了许多设计系统的新方法，特别是最优控制理论。现代控制理论的应用，特别是在航天、航空、制导等领域中的应用取得了很好的效果。然而，现代控制理论应用到工业控制系统中，却遇到难于获得精确数学模型等困难。因此，在70年代，在状态空间法蓬勃发展的同时，英国罗森布洛克(H．H．Rosenbrock)等人恢复了对频域法的研究，提出了所谓的现代频域法，并成为现代控制理论的一个重要组成部分。从80年代开始，现代控制理论的理论、方法和概念，已应用和渗透到众多的技术和社会领域，形成了许多学科分支，它们是：线性系统理论；最优(极值)控制理论；非线性控制系统理论；分布参数控制系统理论；自适应、自学习、自组织系统理论；系统辨识与参数估计；随机控制与滤波理论；微分对策；大系统理论；生物控制论；模糊控制理论；智能控制理论；多时标系统控制－奇异摄动法；数字控制系统理论；柔性结构系统控制；离散事件动态系统(DEDS)；控制系统的计算机辅助手段(计算机仿真，计算机辅助分析，计算机辅助设计等)，等等。国际自动控制联合会(IFAC)定期或不定期都要举办各种相应的国际学术会议，以推动各学科分支的迅速发展。现代控制理论在其发展的过程中，显示了如下的一些基本特征：(1)控制理论所涉及的问题已经继续从单回路模式向一般化模式拓展；(2)控制理论中的建模手段实现了从直接根据系统物理特性的方法向建立一般化的参数估计和系统辨识理论的拓展；(3)控制理论中已不局限于在常系数线性系统模式下研究问题，而可直接研究问题中的分布参数特征和非线性特征；(4)控制理论的研究背景已不再局限于基于物理学规律的“自然系统”，而且扩展包括了基于人为复杂规则的“人造系统”，如离散事件动态系统。目前控制理论又处于一个新的发展阶段。当代科学技术的几项重大变革，如航天技术革命、信息技术革命、制造工业革命等，要求控制理论能处理更为复杂的控制问题和提供更为有效的控制策略。这对现有的控制理论，既是一种挑战，也为其进一步的发展和可能的突破提供了一个机会。当前和今后的研究方向和热点问题是：(1)多变量鲁棒、自适应和容错控制；(2)随机控制；(3)非线性控制；(4)分布参数系统的控制；(5)离散变量及离散事件系统控制；(6)具柔性结构系统的控制；(7)智能控制等。(重庆大学涂植英教授撰) |
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